Натальный диск PDS 70 с новой планетой PDS 70b (яркое пятно справа). Изучая эту систему, исследователи обнаружили несоответствие состава газов в атмосфере планеты по сравнению с газами внутри диска. Фото: ESO/A. Мюллер и др.
Подобно тому, как некоторые дети физически напоминают своих родителей, многие учёные уже давно полагают, что развивающиеся планеты должны напоминать вращающийся диск газа и пыли, который их рождает.
Но в новом исследовании группа астрофизиков под руководством Северо-Западного университета обнаружила, что сходство может быть более слабым, чем считалось ранее. Изучая все еще формирующуюся экзопланету и окружающий ее натальный диск, исследователи обнаружили несоответствие состава газов в атмосфере планеты по сравнению с газами внутри диска.
Удивительное открытие потенциально подтверждает давний скептицизм по поводу того, что текущая модель формирования планет учёных слишком упрощена.
Исследование опубликовано в журнале Astrophysical Journal Letters. Это первый раз, когда физики сравнили информацию об экзопланете, ее натальном диске и родительской звезде.
«Для астрофизиков-наблюдателей одна широко распространенная картина формирования планет, вероятно, была слишком упрощенной», — сказал Чи-Чун «Дино» Сюй из Northwestern, возглавлявший исследование.
«Согласно этой упрощенной картине, соотношение газов углерода и кислорода в атмосфере планеты должно соответствовать соотношению газов углерода и кислорода в ее натальном диске — при условии, что планета аккумулирует материалы через газы в своем диске. Вместо этого мы нашли планету с соотношение углерода и кислорода намного ниже по сравнению с ее диском. Теперь мы можем подтвердить подозрения, что картина формирования планеты была слишком упрощенной».
Сюй — научный сотрудник Центра междисциплинарных исследований в области астрофизики (CIERA). Его консультирует Джейсон Ван, доцент кафедры физики и астрономии Вайнбергского колледжа искусств и наук Северо-Западного университета и член CIERA.
Поиск видимого родового материала
Все планеты рождаются из натального диска — вращающегося диска газа и пыли, окружающего новую звезду. На протяжении миллионов лет гравитация стягивает газ и пыль, образуя комки, которые в конечном итоге превращаются в планеты. До недавнего времени было невозможно получить прямой вид натального диска, чтобы отследить рождение планеты. Большинство наблюдаемых экзопланет слишком стары, поэтому их натальные диски уже исчезли.
Исключением, однако, является PDS 70, натальный диск, который охватывает две молодые экзопланеты-газовые гиганты, похожие на Юпитер, называемые PDS 70b и PDS 70c. Расположенным всего в 366 миллионах световых лет от Земли в созвездии Центавра, планетам всего 5 миллионов лет.
«Это система, в которой мы видим, как обе планеты все еще формируются, а также материалы, из которых они сформировались», — сказал Ван. «Предыдущие исследования анализировали этот газовый диск, чтобы понять его состав. Впервые мы смогли измерить состав самой еще формирующейся планеты и увидеть, насколько похожи материалы на планете по сравнению с материалами в диске. .»
Изучение планетарных отпечатков пальцев
Чтобы измерить материалы, Сюй, Ван и их команда исследовали свет, излучаемый PDS 70b. Этот свет, или спектры, подобен отпечатку пальца, раскрывающему состав объекта, его движение, температуру и другие характеристики. Каждая молекула или элемент производит свой собственный спектр. Изучая эти спектры, исследователи могут точно определить конкретные молекулы или элементы внутри объекта.
В предыдущей работе Ван участвовал в разработке новых фотонных технологий, позволяющих астрономам захватывать спектр целевых слабых объектов вблизи гораздо более ярких звезд. Исследователи использовали эту технику, чтобы сосредоточиться на слабых особенностях молодой планетной системы.
«Эти новые инструменты позволяют получать очень подробные спектры слабых объектов рядом с действительно яркими объектами», — сказал Ван. «Потому что проблема здесь в том, что рядом с действительно яркой звездой находится очень тусклая планета. Трудно изолировать свет планеты, чтобы проанализировать ее атмосферу».
С помощью спектров исследователи получили информацию об угарном газе и воде от PDS 70b. Исходя из этого, они рассчитали предполагаемое соотношение углерода и кислорода в атмосфере планеты. Затем они сравнили это соотношение с ранее сообщенными измерениями газов в диске.
«Изначально мы ожидали, что соотношение углерода и кислорода на планете может быть таким же, как на диске», — сказал Сюй. «Но вместо этого мы обнаружили, что соотношение углерода по отношению к кислороду на планете намного ниже, чем соотношение в диске. Это было немного удивительно и показывает, что наша широко распространенная картина формирования планет была слишком упрощенной».
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса с более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте обновления о прорывах, инновациях и важных исследованиях — ежедневно или еженедельно.
Твердые компоненты могут иметь значение
Чтобы объяснить это несоответствие, Сюй и Ван полагают, что могут действовать два разных сценария. Одно из объяснений состоит в том, что планета могла образоваться до того, как ее диск стал обогащен углеродом. Другое объяснение состоит в том, что планета могла вырасти в основном за счет поглощения большого количества твердых материалов в дополнение к газам. Хотя спектры показывают только газы, часть углерода и кислорода изначально могла образоваться из твердых тел, захваченных льдом и пылью.
«Если бы планета преимущественно поглощала лед и пыль, то этот лед и пыль испарились бы, прежде чем попасть на планету», — сказал Ван. «Итак, это может говорить нам о том, что мы не можем просто сравнивать газ с газом. Твердые компоненты могут иметь большое значение в соотношении углерода и кислорода».
Для этого исследования команда изучила только PDS 70b. Далее они планируют наблюдать спектры другой планеты в системе PDS 70.
«Изучая эти две планеты вместе, мы сможем еще лучше понять историю формирования системы», — сказал Сюй. «Но, кроме того, это всего лишь одна система. В идеале нам нужно идентифицировать больше из них, чтобы лучше понять, как формируются планеты».
Информация от: Северо-Западным университетом
